이하의 내용은 미국의 소방 잡지인 Fire Rescue 1에 실린 <Flash Fire Cylinder: A new approach for measuring turnout clothing insulation>를 번역하고 요약한 글 입니다.
미국방화협회 표준 NFPA 1971는 방화복에 요구되는 최저 기준을 설정하고 있습니다. 여기에는 열과 화염에 대한 방호 성능 요구치도 포함됩니다. NFPA 1971는 여러 번의 개정을 거치면서 열과 화염에 대한 방호 성능을 측정하는 시험들을 도입해왔습니다. 현재 열과 화염으로부터의 보호 능력을 측정함에 있어 진일보를 가져올 새로운 기술이 있으며, 이 기술은 NFPA 1971로의 도입이 검토되고 있습니다.
현재의 측정방법: 열방호성능(Thermal Protective Performance, TPP)
1980년대 초반에 개발된 TPP 시험은 NFPA 1971의 1986년판에 도입되었습니다. 그 이후 방화복 배열층의 열방호성능을 측정하는데 있어서 가장 널리 사용되는 방법이 되었습니다. NFPA 1971에서는 방화복 배열층 뿐만 아니라 헬멧의 물받이, 방화두건, 방화복의 소매 부분, 방화 장갑의 배열층, 방화장갑의 손목 부분까지 TPP 시험법이 사용됩니다. 다만 성능 요구치는 각 부분별로 조금씩 다르기도 합니다.
TPP 시험에는 가로세로 각 6인치(15.24cm) 크기의 방화복 배열층 시편과 한 개의 열량계가 사용됩니다. 이 열량계는 시편의 위에 올려져서 열에너지 전달량을 측정하며, 이 열에너지 전달량은 다시 방화복 배열층의 보호성능을 판정하는데 사용됩니다.
시편은 돌발 화염이나 이에 준하는 상황에 해당하는 84kW/㎡ (2cal/㎠sec.)의 열에너지에 노출됩니다. 이는 원단 배열층의 아래에서 위로 향하도록 배치된 두개의 메커 버너에서 나오는 불꽃과 늘어선 복사열 램프로부터 발생되는 것입니다.
시편은 2도 화상을 일으킬 정도로 충분한 열이 원단 배열층을 통과한 것으로 센서에 감지가 될 때 까지 이 대류열·복사열 조합에 노출됩니다. 원단 배열층 마다 2도 화상에 이를 것으로 예상되는 시간이 다르므로 다른 배열층을 시험 할 때 마다 노출 시간은 달라질 수 있습니다.
2도 화상을 일으킬 것으로 예상되는 소요 시간은 TPP 값을 계산하는데 사용됩니다. 시간과 노출 에너지인 2cal/㎠sec. 를 곱한 결과가 TPP 값이 됩니다. 방화복과 장갑에는 35cal/cm 의 성능요구치가 적용되며, 방화복의 소매 부분, 헬멧의 물받이, 방화두건, 장갑의 손목 부분은 20cal/cm 의 성능요구치가 적용됩니다.
TPP 시험의 한계
TPP 시험은 40년 가까이 방화복의 보호 성능을 측정하는데 사용되었지만, 이 시험에는 원단의 중요한 요소들을 간과하게 만드는 여러 측면들이 있습니다. 시편에 센서를 그대로 올려놓는 것도 그 중 하나입니다. 필요한 보호를 제공하는 과정 중에 화염이나 열에 의해서 원단이 수축하는 것은 방화복 원단의 열적 보호성능에 상당한 영향을 출 수 있습니다.
잘 알려진 예를 들어보겠습니다. 가죽을 외피로 사용하는 장갑은 강력한 열에 노출되면 국지적으로 수축합니다. 이러한 수축은 장갑의 외피와 내부 사이에 공기 층을 만들고 이는 인공적으로 높은 TPP 값을 만들어 냅니다. 이는 소방관들이 실제로 현장에서 경험하는, 장갑이 수축했을 때 오히려 열차단 성능이 낮아질 수 있다는것과 상반되는 것입니다.
어떤 겉감 원단은 고온에 노출 되었을 때 아래쪽으로 늘어짐으로써 방수투습천 사이에 공기층을 형성시키고 이를 통해 TPP 시험을 속일 수도 있습니다. 이런 경우 실험실에서 확보된 TPP 시험 결과는 현장에서의 경험을 반영하지 못합니다.
TPP 시험에서 사용되는 시편의 배치 방향과 모양 역시 TPP 시험에서 우려가 되는 부분입니다. 평평하게 놓인 시편에 대해 아랫쪽에서 열과 화염을 쏘는 것은 실제로 방화복과 다른 개인보호장비가 착용되는 방식을 반영하지 못합니다. 인간 신체의 형상은 평면적이라기보다는 원통형 모양(팔, 다리 몸통)의 조합에 가깝다고 말 할 수 있습니다. 방화복 또는 산업용 방염복의 열방호성능을 측정하는데 가장 널리 사용되는 풀스케일 시험인 플래시파이어 마네킹 시험에서는 120개 이상의 센서를 장착한 마네킹을 사용합니다.
하지만 플래시파이어 마네킹 시험은 매우 비쌀 뿐만 아니라 방화복의 구성이나 마네킹의 모양 등 다양한 변수들이 있습니다. 이러한 이유들 때문에 방화복에 이 시험을 적용하는데는 한계가 있으며, 배열층에 대한 시험 결과가 방화복에 대한 마네킹 시험 결과와 상응하지 않는 것도 문제가 됩니다. 부족한 연관관계는 매우 중요한데, 왜냐하면 마네킹 시험은 현장의 위험 상황에서의 열차단능력을 더 현실적이고 포괄적으로 측정한다고 추정되기 때문입니다.
플래시파이어 실린더 - 새로운 시험
플래시파이어 실린더(이하 FFC)는 TPP 시험과 마네킹 시험 사이에서 중간에 해당하는 새로운 정보를 제공할 목적으로 만들어진 새로운 벤치스케일 열차단성능 시험입니다. 이 시험은 방화복의 배열층 샘플을 원통형 시험기구에 둘러싸도록 만든 다음 TPP 시험이나 마네킹 시험과 동일하게 84kW/㎥의 화염에 노출시키는 방식으로 진행됩니다.
시험기구에 균일한 간격으로 장착된 15개의 열에너지 센서가 방화복 배열층을 뚫고 들어온 열에너지를 측정합니다. 이 에너지를 전달에너지(transferred energy)라고 부릅니다. 이 전달 에너지는 시험기구 시스템 교정 때 수집한 입사에너지(incident energy)와 비교합니다. 전달에너지를 입사에너지로 나눈 값은 에너지 비율 값(energy ratio value, ERV)라고 부릅니다. 즉 방화복 배열층에 가해진 에너지 중 몇퍼센트가 방화복 안쪽까지 도달했는지를 보여주는 값이 ERV라고 할 수 있습니다. 현재까지 ERV는 재현가능한 측청치를 제공한다는 점과 방화복의 현장 성능을 예측할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
에너지 비율 값 ERV = 전달에너지/입사에너지
FFC는 또한 퍼센트로 표시되는 화상 예측도 가능합니다. 하지만 FFC는 15개의 센서로만 구성되어있기 때문에 한 개의 센서만 2도 화상을 기록해도 전체 화상이 7%로 기록되는 식으로 오해를 발생시킬 수 있습니다. 값이 큰 폭으로 변하는 화상도 예측과 달리, ERV는 이러한 단절성이 없이 연속적인 스펙트럼으로 결과값을 보여준다는 장점이 있습니다.
TPP 시험은 2도 화상이 예상되는 시점에 열과 화염이 멈추는 방식으로 열원이 제거된 후에 발생하는 열침투는 측정하지 못합니다. 반대로 FFC는 10초의 열노출 후 120초 동안 데이터를 획득하기 때문에, 방화복의 원단이나 배열층이 어떻게 기능하는지를 평가하는 지표로서 더 신뢰할만하다 할 수 있겠습니다.
FFC의 원통형 시험기구 본체는 손의 형태로 된 마네킹인 플래시파이어 핸드(이하 FFH)로 교체가 가능합니다. FFH를 사용하여 방화장갑이 돌발화염에 노출되었을 때 열을 차단하는 능력을 측정할 수 있습니다. FFH는 손등과 손바닥에 각각 세 개, 그리고 손목과 상완에 각 두 개씩 총 10개의 센서를 장착하고 있습니다.
TPP 시험을 넘어서는, 추가적인 정보를 제공하려는 시도는 FFC만 있는 것이 아닙니다. '원통형 TPP 시험(cylindrical TPP)'은 기존의 TPP 시험을 원통형으로 바꾼 것이며 FFC와 마찬가지로 샘플의 수축을 반영합니다. 노스캐롤라이나 주립대가 개발한 이 시험 역시 TPP의 대체 시험으로 제안되었습니다.
방화복의 열차단 측정에 있어 차후의 고려사항
FFC를 사용한 초기 시험은 각기 다른 30개 방화복 배열층 조합의 ERV를 측정했습니다. 이 결과값들을 TPP 시험과 비교했을 때 두 시험에서 나온 결과값들은 상관관계가 거의 없었습니다. 이는 FFC가 TPP와는 다른 정보를 제공한다는 점을 가리킵니다. 원통형TPP 시험도 시험데이터를 쌓고 있는 중입니다.
새로운 두가지 시험방법은 모두 ASTM International의 표준화 작업이 진행 중입니다. 그리고 NFPA에서는 현재의 TPP 요건을 보충하는 시험으로 포함될 가능성이 있습니다. 그러나 현재까지는 TPP 시험이 열방호성능을 측정하는 유효한 수단으로 사용되고 있습니다.
